Attoscience afslører en let-stof-hybridfase i grafit, der minder om superledning

Røntgenabsorptionsspektroskopi er en element-selektiv og elektronisk tilstandsfølsom teknik, der er en af ​​de mest udbredte analytiske teknikker til at studere sammensætningen af ​​materialer eller stoffer. Indtil for nylig krævede metoden besværlig bølgelængdescanning og gav ikke ultrahurtig tidsmæssig opløsning til at studere elektronisk dynamik.

I løbet af det sidste årti har Attoscience og Ultrafast Optics-gruppen ved ICFO ledet af ICREA-professor ved ICFO Jens Biegert udviklet attosecond soft-X-ray absorptionsspektroskopi til et nyt analytisk værktøj uden behov for scanning og med attosecond temporal resolution.

Attoseconds bløde røntgenimpulser med en varighed mellem 23 attosekunder (as) og 165 as og samtidig sammenhængende blød røntgenbåndbredde fra 120 til 600 eV tillader undersøgelse af hele den elektroniske struktur af et materiale på én gang. Kombinationen af ​​tidsopløsning til at detektere elektronisk bevægelse i realtid og den sammenhængende båndbredde, der registrerer, hvor ændringen sker, giver et helt nyt og kraftfuldt værktøj til faststoffysik og -kemi.

En af de mest fundamentalt vigtige processer er lysets vekselvirkning med stof, for eksempel at forstå, hvordan solenergi høstes i planter, eller hvordan en solcelle omdanner sollys til elektricitet. Et væsentligt aspekt af materialevidenskab er udsigten til at ændre kvantetilstanden eller funktionen af ​​et materiale eller stof med lys.

Sådan forskning i materialers mangelegemedynamik adresserer kerneudfordringer i nutidig fysik, såsom hvad der udløser enhver kvantefaseovergang, eller hvordan materialers egenskaber opstår fra mikroskopiske interaktioner.

I en nylig undersøgelse offentliggjort i Nature Communications , ICFO-forskere Themis Sidiropoulos, Nicola Di Palo, Adam Summers, Stefano Severino, Maurizio Reduzzi og Jens Biegert rapporterer om at have observeret en lysinduceret stigning og kontrol af ledningsevnen i grafit ved at manipulere materialets mangelegemetilstand.

Attosekund pumpe-sonde måling af lys-stof hybriden

Forskerne brugte bærebølge-konvolut-fase-stabile sub-2-cyklus optiske impulser ved 1850 nm til at inducere lys-stof-hybridtilstanden. De undersøgte den elektroniske dynamik med attosekunds bløde røntgenimpulser med 165 som varighed ved carbon K-kanten af ​​grafit ved 285 eV. Attosekunds blød røntgenabsorptionsmåling afhørte hele den elektroniske struktur af materialet ved pumpesondeforsinkelsestrin med attosekundsinterval.

Pumpen ved 1850 nm inducerede en høj ledningsevnetilstand i materialet, som kun eksisterer på grund af lys-stof-interaktionen; derfor kaldes det en let-stof-hybrid.

Forskere er interesserede i sådanne forhold, da de forventes at føre til kvanteegenskaber af materialer, der ellers ikke eksisterer i ligevægt, og disse kvantetilstande kan skiftes ved i det væsentlige optiske hastigheder op til mange THz. Det er dog stort set uklart, hvordan tilstandene nøjagtigt manifesterer sig inde i materialer.

Der eksisterer således meget spekulation i nyere rapporter om lysinduceret superledning og andre topologiske faser. ICFO-forskere brugte soft-røntgen-attosekundpulser for første gang til at "se inde i materialet", efterhånden som lysstoftilstanden manifesterer sig.

Den første forfatter til undersøgelsen, Themis Sidiropoulos, bemærker, "kravet om sammenhængende sondering, attosekundtidsopløsning og attosekundssynkronisering mellem pumpe og sonde er helt nyt og et væsentligt krav for sådanne nye undersøgelser muliggjort af attosekundsvidenskab."

I modsætning til twistronics og snoet dobbeltlagsgrafen, hvor eksperimentalister manipulerer prøverne fysisk for at observere ændringerne i de elektroniske egenskaber, forklarer Sidiropoulos, at "i stedet for at manipulere prøven exciterer vi optisk materialet med en kraftig lysimpuls, og dermed spændende elektronerne til høj energi stater og observer, hvordan disse slapper af i materialet, ikke kun individuelt, men som et helt system, og ser på interaktionen mellem disse ladningsbærere og selve gitteret."

For at se, hvordan elektronerne i grafitten slappede af efter den stærke lysimpuls blev påført, tog de det brede røntgenspektrum og observerede for det første, hvordan hver energitilstand afslappede individuelt, og for det andet, hvordan hele elektronsystemet blev exciteret, for at observere mange-legeme-interaktionen mellem lys, bærere og kerner på forskellige energiniveauer.

Ved at observere dette system kunne de se, at energiniveauerne for alle ladningsbærerne indikerede, at materialets optiske ledningsevne steg på et punkt, hvilket viste signaturer eller reminiscens af en superledningsfase.

Hvordan var de i stand til at se dette? Tja, faktisk observerede de i en tidligere publikation adfærden af ​​sammenhængende (ikke tilfældige) fononer eller kollektiv excitation af atomerne i det faste stof.

Fordi grafit har en række meget stærke (højenergi) fononer, kan disse effektivt transportere betydelige mængder energi væk fra krystallen uden at beskadige materialet gennem mekaniske vibrationer af gitteret. Og fordi disse kohærente fononer bevæger sig frem og tilbage, som en bølge, ser elektronerne i det faste stof ud til at ride på bølgen og genererer de kunstige superledningssignaturer, som holdet observerede.

Resultaterne af denne undersøgelse viser lovende anvendelser inden for fotoniske integrerede kredsløb eller optisk databehandling, ved at bruge lys til at manipulere elektroner eller kontrollere og manipulere materialeegenskaber med lys.

Biegert siger:"Mange-kropsdynamik er kernen, og uden tvivl et af de mest udfordrende problemer i moderne fysik. De resultater, vi har opnået her, åbner et nyt område af fysik, der tilbyder nye måder at undersøge og manipulere korrelerede faser af stof i realtid, hvilket er afgørende for moderne teknologier."

Flere oplysninger: T. P. H. Sidiropoulos et al., Forbedret optisk ledningsevne og mange-kropseffekter i stærkt drevet foto-exciteret semi-metallisk grafit, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43191-5

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af ICFO